JPH05329482A - 超音波水中発電装置及び超音波水中発電による整水装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、電解処理、電場処理、電磁処理
の３つの重畳作用を基本として、これらすべてを超音波
水中振動の音場内で使用する処理構成が、自励の形で、
しかも、音場発生のエネルギーループ内で可能とされ、
他からエネルギーや別に独立した他のエネルギー供給な
しに同期された閉ループ内で前記３つの処理作用を利用
し得る圧電効果型整水装置を提供することを目的とす
る。 【構成】 水もしくは水溶液を貯留する水槽と、この水
槽に水もしくは水溶液を給水する給水管および水槽から
の液体を排水する排水管と、前記水槽内に超音波振動音
場を形成させる超音波振動発生源と、水槽内に浸没した
電歪素子と、この電歪素子の周囲に配され閉磁路を形成
するコアと、このコア内に貫通され、前記超音波振動発
生源に接続されたリード線と、前記コアに巻回され一端
が前記給水管に、他端が前記排水管にそれぞれ接続され
た２次巻線とを備えてなる圧電効果型整水装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は、超音波水中発電装置及び超音波
水中発電による整水装置に関するものであり、農業用、
医療用、工業用など広範囲な産業分野において利用し得
るものである。

【０００２】水の機能性を介したエネルギーの非熱的利
用に於いて、水に機能性を付与する作用は、微弱エネル
ギーの影響が大であり、水に関与するということが仮説
なりにも成り立って来た近年の利用技術に於いて、種々
の周辺技術が存在している。これ等は従来のエネルギー
を熱エネルギーとして利用した場合であり、エネルギー
の非熱的利用というのは、熱力学の第２法則が関連する
もので、自然界にも色々な作用が存在し、あらゆる生物
の生殖をも助けているのである。

【０００３】本案は以上のごとき背景に於いて、微弱エ
ネルギーの有効利用に依り、水の機能性を介した、利用
目的に合致した処理を行い、改質、選択を目的とする超
音波発電装置および整水装置である。

【０００４】本発明の整水装置は、電解処理、電場処
理、電磁処理の３つの重畳作用を基本として、これらす
べてを超音波水中振動の音場内で使用する処理構成が、
自励の形で、しかも、音場発生のエネルギーループ内で
可能とされ、他からエネルギーや別に独立した他のエネ
ルギー供給なしに同期された閉ループ内で前記３つの処
理作用を利用する所に創造の独創性があり、これに類す
る技術の提起は未だなされていない。

【０００５】構成の基本原理は、超音波水中（液中）振
動の音場内に電歪振動子である圧電セラミック振動子を
浸没させて置く事により、音場内の圧力や歪に起因する
ピエゾ効果による、つまり、水中振動音場内での水中放
電作用を基本とし、圧電効果と水の導電性により、双極
子の正負電極で微弱階級とはいえ、一種の電気化学反応
を発生させるものである。この事は水中に於ける圧電効
果の電極反応であり、水もしくは機能選択上目的とされ
る溶液の水和等に於いて、反応分子の電極間への拡散、
吸着、解離、イオン化、重合等の作用を発生させるもの
である。

【０００６】超音波水中振動の音場内では、水もしくは
溶液そのものが超音波水中振動の弾性結合体として、水
液中に浸没せる圧電振動子に自励発電によるトリガー圧
力歪なる機械的トリガーを励起する圧電機能により双極
間の水液に電流を流すのである。

【０００７】圧電効果は図４に示す様に、圧電材料に力
或いは歪が加えられたとき電荷が発生する現象をいうも
ので、空中における発生電圧として利用する事はすでに
実用化されており、例えば空中放電によるガス器具のス
パーク火花の発生が大気中で行われている。

【０００８】圧電セラミック振動子は着磁された形の分
極処理がなされているため、その束縛電荷と同じ量の逆
極性の電荷が、自由電荷として帯電する。この素子に外
部から力が加えられると、内部の電歪の状態が変わるた
めに、その時の束縛電荷は瞬時に変わるが、帯電してい
る自由電荷はすぐには変わらない。そこで、その差に相
当する電荷量が開放端に発生して来るわけで、その開放
端が水液中に浸没された構成では図３のごとく正負電極
間の水が負荷となり水の導電性なる抵抗を通じて短絡電
流が流れる。

【０００９】この場合、都合良く、圧電電池として作用
する素子は水の短絡抵抗にくらべ内部発電抵抗が低く、
負荷の短絡抵抗である水の抵抗は内部抵抗にくらべて大
きいので、双極間の水の抵抗で短絡した形で短絡電流が
水の中を流れる。この場合、圧電効果から見るに、圧電
素子側では水中放電の水中短絡によりその抵抗分だけ電
流は流れるが、大気空間の放電と違って常に水によって
双極間は抵抗接続されており微弱電流は流れるが開放損
失がなく、短絡電圧で再分極の形となって圧電効果の劣
化を防ぐ範囲での微弱エネルギー電解作用が持続するわ
けで、一般の電気分解等に定在する電極腐蝕等の劣化が
発生しない。すなわち微弱エネルギー利用の長所でもあ
る。

【００１０】また、この事は超音波水中振動の音場内に
電歪振動子ペレットを浸没させるだけで、音場の振動が
作用する水の弾性結合に圧電効果による振動発電を起こ
す。また、超音波水中振動が作用する水の音場内で行な
われる自励構成であって、微弱エネルギー雰囲気内で電
解電場処理を重畳させて、水に改質作用を行うものであ
る。

【００１１】さらに、本発明ではもう一対の電極板を、
前記の音場内での水中放電域に具備させ、イオン分子整
流の働きを補正する電気二重層を構成させることができ
る。この電気的作用は、水が電解圧以下の微弱エネルギ
ー場では、水は水素イオンＨ⁺ と水酸イオンＯＨ^- に解
離するだけなので、水素イオン（水に水和したＨ₃ Ｏ⁺
として）は陰極に引かれる。この結果水はＯＨ^- となり
pHが高まる。さらにＯＨ^- も水和する。目的に適した整
流を外部に取り出すためには、本装置は電気的に正負の
いずれかのバイアス電圧をかけることによって電気的イ
オン濃度を上げる必要があり、これにより吸引、即ち誘
導作用を生じるのである。

【００１２】原理的には図５のごとく二重電気分解の形
となる。超音波水中振動の音場内でセラミック圧電ペレ
ットの水中電圧発生により、水を負荷として流れる正負
電極間でのイオン的な解離電場の外周から取り出す側で
あって、電気的に絶縁させた吸引管（排出手段）を正負
いずれかの電極とし、更に水を給水する側を電気的に吸
引管の電極の逆極に電接させる事により、目的とするイ
オン的な整流を構成する。

【００１３】これがイオン濃度制御であり、この場合、
解離電場外周の正負電圧はセラミック圧電効果の解離電
圧より若干高めに設定し、イオン的な吸引、加速流を排
出側に誘導するもので、超音波振動音場内で解離電流を
バイアスする電気制御型の電気二重層を構成させてい
る。この事は、圧電効果による作用を有効に活用し「反
応の場」に於ける超音波音場の波動が水中の媒質を伝播
する機械的な振動であり、反射、屈折、吸収などについ
ては波動として微弱なエネルギーに変換され、水中に浸
没せるセラミック圧電振動子であるペレットをエネルギ
ーに変換するものである。

【００１４】このエネルギー変換としては微弱なレベル
であるが、その事により、逆に腐蝕を伴わない、水中発
電のイオン的な解離のみを行う事が出来るばかりか更に
流量（水流の）の方向へ、イオン濃度を制御した整水装
置である。つまり電気的な二元処理で、そのうえ水中超
音波振動が水を媒質として機械的振動を行う波動効果に
より、微弱なゆらぎを水中に浸没せる発電振動子である
セラミック圧電ペレットの界面に、水中振動と圧電歪の
振動差（水中音速１５００ｍ／sec と圧電歪の音速の
差）を作る。さらに、使用するセラミック圧電素子が強
誘電体の結晶でありセラミックであることから、常温域
でも放射される遠赤外線の非熱的効果もあって、水中波
動と電気バイアスの使用に加えて水中温度及び発電電流
の発生歪による圧電効果の逆作用として、ゆらぎに起因
する常温での遠赤外線効果を併用した電磁波の発生を共
存させる働きも誘発するのである。

【００１５】水の挙動の内、動的構造は、水素結合をし
た水分子が平衡位置の周囲を振動と配向を繰り返しなが
ら、ある時間持続した形を保っている挙動の動的構造の
概念であるから、たとえ水分子の振動が瞬間的には１０
^-13 秒以下の短い周期でも、外部よりの強制的なゆらぎ
作用や電場及び遠赤外線等の非熱的効果は水に有効な強
調効果となりうるのである。

【００１６】さて電場、電界処理に於ける、水中のセラ
ミック圧電効果を利用した電解手段をのべて来たが、更
にその超音波の振動音場の振動効果に外周より電磁誘導
である同心円状の磁界を発生させようという、一連の同
期型、閉ループ処理方法を説明する。

【００１７】水中に浸没させたセラミック圧電素子のペ
レット群層に、外部より唯一の超音波振動を発生させ、
水の振動により圧電効果の水中電解処理を基本とした、
目的に合致した水の改質を選択出来る装置であって、一
種の圧電効果による、電気分解に類似する電解処理に併
用し、セラミック圧電素子の強誘電体ペレットにセラミ
ックが放射する遠赤外線なる微弱な電磁波も重畳作用と
して利用しようとするものである。

【００１８】イオンの様な荷電粒子が電磁場の中で移動
するとき、さまざまな電気現象が起きるが、電場の中で
運動する荷電粒子には電流が対流電流となって流れる。
つまり、処理しようとする水自体が双極子（ダイポー
ル）で誘電率の大きな性質を有し、かつ各種のイオンが
存在し、不対電子をもった酸素などの気体が溶存し、イ
オンの結晶場が存在する。

【００１９】このように水が電場の下で機械的に攪拌さ
れると、水には電流が流れる。機械的に攪拌されなくと
も、荷電粒子および水分子のゆらぎ運動が同様な効果を
生じさせる事を考えると、これらは磁場の下で荷電粒子
が運動した場合荷電粒子には運動方向と直角にローレン
ツの力が作用する磁場理論にも抵触した誘導理論によ
り、結果的には理論的にも電場処理と同様の効果を生じ
させるもので、ここで電場処理、磁場処理を重畳させた
併用処理は微弱エネルギーの非熱的効果による手段とし
て見逃せないのである。

【００２０】さらに磁性特性としても、水中の溶存気体
の影響はかなりの面で大きく理論的にも酸素の常磁性を
無視出来なくなる。常磁性とは、磁場を加えるとその方
向に弱く磁化し、磁場を取りさると可逆的に磁化が消失
する弱磁性作用であり、不対電子をもつ物質がこの性質
を示す。空気中の窒素分子は磁性を示さない反磁性であ
るのに対し、酸素分子は常磁性である。このため酸素分
子は反応に富んだ常磁性としての性質を示し、この事
が、水の物性が電磁波の影響を受けて溶存する酸素濃度
に影響される原因の一つと考えられる。

【００２１】ここに於いて、電場、磁場、電磁誘導の電
解処理をあえて独立部分を集合利用する構成でなく起動
トリガーとしてはあくまで超音波水中振動の発生源を一
連のトリガーとして閉ループ処理したループ内で同期し
連動する構成が特長である。

【００２２】以下図６から１２によりその構成及び作用
動作をのべる。図６において、水槽に被処理水を満た
し、水槽底部の外部に弾性結合により装着した超音波振
動発生源により水槽外部から水槽内部の振動伝達媒質へ
超音波振動の音場を発生させる。この場合、エネルギー
は空洞現象の疎密破壊（キャビテーション破壊）のない
振動伝播、放射のレベルである。

【００２３】電気的な超音波交番周期の駆動において、
超音波パルス出力トランスＴを使用し、出力２次側Ｓ、
駆動１次側Ｐを介して発振駆動する接続となっている。
そして、超音波振動発生源は、セラミック圧電振動子
（電歪型）又は磁歪型のいずれかであり、振動用トラン
スデューサ（変換器）の正負両極に電接され駆動電力を
供給される。

【００２４】図７は、出力駆動側の電接ループにおい
て、駆動条件に無関係な正負何れかの配線を、電流トラ
ンスなる電磁誘導によるトロイダルコアに単なる配線貫
通させるのみで同心円状の磁界を形成する構成について
示している。図８は、これの応用であり、トロイダルコ
アに２次巻線を設け、誘導電圧を発生させ交番電圧を得
る構成を示す。図９は、図８の２次巻線に整流回路を設
けた構成を示す。図１０は、本発明を示す概念図であ
る。

【００２５】ここにおいて、水の流動方向にそって給水
側と排水側との間に一種の電気分解に類似する現象を起
こさせ、併せて極板構成を実装することにより、圧電効
果による水の解離の電界を誘導バイアス電圧として、水
処理目的に合致させた正負何れかの極性で実用化する。
すなわち、水和水のイオン濃度の制御、および、電離還
元と酸化処理のための酸化還元等、正負の直流対向電極
構造とするか、前記誘導電圧をそのまま正負の交流電圧
で還元作用を併用させるかを、目的により３つに分類し
て実用化する。排水側と吸水側とを接続し、この接続部
分の途中に循環液を貯留する循環液貯留槽を設け、この
循環液貯留槽を浴槽、栽培槽等として使用してもよい。

【００２６】図１１はトロイダルコアにおける誘導磁界
の発生状態を示す。すなわち、圧電効果の自励発電によ
って水の電解電圧以下の解離レベルにおいて、外周にさ
らに誘導磁界を発生させ同心円状の磁界をかけることに
より、磁界内の圧電ペレットのセラミック強誘電結晶体
に光電効果および遠赤外線放射に伴う電磁波に重畳さ
せ、微弱ながらエネルギーの非熱効果を有効に作用させ
るものである。

【００２７】同心円状の磁界は、電流の方向に起因する
交番誘導で誘起される。電流の向きの変化で交番電圧が
発生し、しかも磁界が左または右に回転する。磁界の交
番変化による電流は、起電力により電気的二重層のバイ
アス電圧に利用する。このバイアス電圧の極性は、使用
する水の目的に応じて決める。マイナスイオン化した水
を誘導する場合は給水側にマイナス極を、排水側にプラ
ス極を電接する。プラスイオン化した水を誘導する場合
は給水側にプラス極を、排水側にマイナス極を電接す
る。交番バイアスの場合は誘導、撰択、加速、集束等の
誘導フルイ効果を励起する。

【００２８】水を０₂ とＨ₂ とに分解するためには従来
の電気分解法が一般的であるが、本発明に使用する電気
分解法は分解電圧以下の解離電圧である微弱エネルギー
の非熱的利用を特徴とする。これにより、水中の圧電効
果により水をＨ⁺ とＯＨ^- の形で解離する。ＯＨ^- 及び
Ｈ⁺ イオンは単独に存在するのでなくＨ⁺ が水と水和し
てＨ₃ Ｏ₂ ^- でマイナスにチャージしたものが混在す
る。その中から目的とする水の電離による、解離イオン
濃度の有利な極性を選択移動する必要がある。そのため
整水装置としては給水側と排出側の入出水の流量方向の
間隔部分でイオン誘導の選択極性、つまり第２電極板構
造を具備させなければならない。これを図示すると、図
１２の如くなる。

【００２９】圧電効果による水中電離に於ける選択誘導
（イオン濃度）の手段としては、ＴＶブラウン管や真空
管の誘導、加速、集束に類似した、格子制御及び遮蔽格
子制御のようなイオン制御法を構成する。この場合、水
の電離による解離イオンの濃度選択としては電離電圧よ
り若干電位的に高い範囲において、しかも、イオン的に
は誘導吸収制御できる極性を使用する。すなわち、図１
２において給水、排水に電接する正負の電極２０は、水
の電離により生じた正負の電極３０より若干高い電位を
近接配置することにより、水和液として取り出されるの
である。

【００３０】前記の第２誘導電解図に示す正負の極４０
及び±の交番電圧は別な独立した電源でなく、前記説明
の超音波駆動による誘導電界発生のためのトロイダルコ
アによる誘導電圧を利用するのが本発明の特徴である。

【００３１】本発明は、以上説明したとおりであるが、
要約すると、本発明の第１は、水もしくは水溶液等の液
体を貯留する液体貯留手段と、液体貯留手段内に超音波
振動音場を形成させる超音波振動発生源と、液体貯留手
段内に浸没した電歪素子とを備えたことを特徴とする超
音波水中発電装置である。

【００３２】本発明の第２は、水もしくは水溶液等の液
体を貯留する液体貯留手段と、液体貯留手段内に超音波
振動音場を形成させる超音波振動発生源と、液体貯留手
段内に浸没した電歪素子と、液体貯留手段内に液体を供
給する液体供給手段と、液体貯留手段内の液体を排出す
る液体排出手段と、閉磁路を形成するコアと、コア内に
貫通され超音波振動発生源に電接されたリード線と、コ
アに巻回された２次巻線とを備え、２次巻線の一方の電
極が液体供給手段に電接され、２次巻線の他方の電極が
液体排出手段に電接されてなることを特徴とする超音波
水中発電による整水装置である。

【００３３】第２の発明の閉磁路を形成するコアは、電
歪素子を囲んで設けられてなる超音波水中発電による整
水装置とすることもできる。また第２の発明のコアに巻
回された２次巻線の出力端に整流回路が接続され、整流
回路の一方の電極が液体供給手段に電接され、整流回路
の他方の電極が液体排出手段に電接されてなる超音波水
中発電による整水装置とすることもできる。

【００３４】さらに第２の発明の液体供給手段と液体排
出手段とが液体貯留手段外において接続され、この接続
部分の途中に循環液貯留槽が設けられてなる超音波水中
発電による整水装置とすることもできる。また第１の発
明、第２の発明の超音波振動発生源を超音波ボンプによ
り構成することもできる。さらに、超音波振動発生源の
電源を太陽電池とすることもできる。

【００３５】

【実施例】以上までに述べた基本構成による水の処理技
法としての整水装置において、基本である、超音波水中
振動の音場での圧電効果を利用したセラミック圧電振動
子なる電歪素子の水中発電による水の解離作用を選択、
誘導し、目的とする水を処理するには、電歪素子として
のセラミック圧電振動子は強誘電体の特性を合わせ持つ
ことから、更にゆらぎ効果を併用して、誘導磁界による
磁場処理及び処理外周に静電界を具備させて強誘電薄膜
の絶縁層でループシールドしながら内部で発生する微弱
なエネルギー効果の利用である光電効果等も具備させた
ものである。

【００３６】このシステム構成を、一例として超音波ポ
ンプによる霧化システムに付随する形で実用化した装置
を図１３により説明する。超音波振動発生源であるトラ
ンスデューサとして超音波ポンプを利用し、大気中に霧
化散布を行う行程に於いて水中の揚水アクチュエーター
の振動部分が水中のタンク水槽内に超音波の音場を作
る。その音場の波動効果による圧電効果により、セラミ
ック圧電振動子のペレットＣ（又は大型円板、粒子状の
米粒群）は水中で電離作用を起し、電極間それぞれで水
中に放電電圧により水を介して電流が流れ、電気分解の
原理に基づく、電離電圧の閾値（スレッショルド）以下
の微弱電圧付近で、水素・酸素に電離しない、イオン解
離が発生する。

【００３７】しかるに超音波ボンプは水を吸い込むボン
プ作用が発生するとともに、その水中反作用として水中
に超音波振動を放射するが、その場合、超音波ポンプの
水中の部分Ａを第２電極とすると共にその正負の対極を
給水側Ｂに電接すると、第２電極のバイアス電圧が誘導
電極の正負として作用することにより、解離イオンの水
和された整水として、つまり、１つ１つがそれぞれ＋イ
オンまたは−イオンに改質された集合として撰択され
る。つまり、誘導電極の形を給水から排水の流量方向に
作用させて目的の整水を得る装置が具備された整水装置
として実用化されるのである。

【００３８】この整水装置においては、第２電極Ａ，Ｂ
に電接する誘導電圧は先に述べたトランスデューサ駆動
の交番電流トランスに作用する電磁誘導により電圧を作
っており、閉ループ内の一連の独立作用として機能させ
た特徴を有する。なおセラミック圧電振動子に使用する
分極作用の正負双極は強誘電体を通電させる加工電極で
あり、この性質を利用し、通電効果以外に金、プラチ
ナ、銀、銅等を触媒として第２次効果を利用するため、
作為的に触媒作用が発生しやすい薄膜処理とし、あるい
は混合酸化物及び還元作用を有効にする目的の正負電極
板にし、水和、イオン化による目的に合致した整水装置
の解離と連動させることもできるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】圧電効果を説明する概念図である。

【図２】超音波振動発生源により水中においた電歪素子
に圧電効果を生じる状態を示す概念図である。

【図３】超音波振動により水中にある電歪素子に電流が
生じる状態を示す概念図である。

【図４】圧電効果をにより電流が流れる状態を示す概念
図である。

【図５】電気的な解離作用の基本を示す概要図である。

【図６】超音波振動発生源により、水中を超音波の音場
にする装置の概要を示す概念図である。

【図７】超音波振動発生源に電磁誘導用トロイダルコア
を装置した状態を示す概念図である。

【図８】電磁誘導用トロイダルコアに誘導電圧を発生さ
せる二次巻線を設けた状態を示す概念図である。

【図９】電磁誘導用トロイダルコアの二次巻線に整流回
路を設けた状態を示す概念図である。

【図１０】本発明の実施例を示す概念図である。

【図１１】トロイダルコアにおける電磁誘導について示
す概念図である。

【図１２】圧電効果により水中電離された解離イオンが
第２誘導電解する状態を示す概念図である。

【図１３】本発明に超音波ポンプに応用した状態を概念
的に示す断面図である。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水もしくは水溶液等の液体を貯留する液体
   貯留手段と、液体貯留手段内に超音波振動音場を形成さ
   せる超音波振動発生源と、液体貯留手段内に浸没した電
   歪素子とを備えたことを特徴とする超音波水中発電装
   置。
2. 【請求項２】水もしくは水溶液等の液体を貯留する液体
   貯留手段と、液体貯留手段内に超音波振動音場を形成さ
   せる超音波振動発生源と、液体貯留手段内に浸没した電
   歪素子と、液体貯留手段内に液体を供給する液体供給手
   段と、液体貯留手段内の液体を排出する液体排出手段
   と、閉磁路を形成するコアと、コア内に貫通され超音波
   振動発生源に電接されたリード線と、コアに巻回された
   ２次巻線とを備え、２次巻線の一方の電極が液体供給手
   段に電接され、２次巻線の他方の電極が液体排出手段に
   電接されてなることを特徴とする超音波水中発電による
   整水装置。
3. 【請求項３】閉磁路を形成するコアが、電歪素子を囲ん
   で設けられてなることを特徴とする請求項２記載の超音
   波水中発電による整水装置。
4. 【請求項４】コアに巻回された２次巻線の出力端に整流
   回路が接続され、整流回路の一方の電極が液体供給手段
   に電接され、整流回路の他方の電極が液体排出手段に電
   接されてなることを特徴とする請求項２または３記載の
   超音波水中発電による整水装置。
5. 【請求項５】液体供給手段と液体排出手段とが液体貯留
   手段外において接続され、この接続部分の途中に循環液
   貯留槽が設けられている請求項２から４のいずれかに記
   載の超音波水中発電による整水装置。
6. 【請求項６】超音波振動発生源が超音波ボンプである請
   求項１から５のいずれかに記載の装置。
7. 【請求項７】超音波振動発生源の電源が太陽電池である
   請求項１から６のいずれかに記載の装置。